Gazebo仿真学习——3.使用ROS-control设置模拟控制器驱动机器人关节

tech2024-11-20  2

ROS-control

1.ROS-control 总体架构2.Controllers3.Hardware Interface4.Transmissions5.Joint Limits5.1 从URDF中设置Joint Limits5.2 通过YAML配置文件先加载到参数服务器中,YAML文件格式如下 6.Controller manager6.1 命令行工具:6.2 Launch 工具:6.3 可视化工具: 7. 实际案例分析与体会7.1 Add transmission elements to a URDF7.2 Add the gazebo_ros_control plugin7.3 create a ros_controls package(controller和controller_manager)7.3.1 在config 文件中创建 .yaml 配置文件7.3.2 创建一个 roslaunch 文件7.3.3 Start the controllers using roslaunch 1.Kinova_ROS软件包官网: https://github.com/Kinovarobotics/kinova-ros#moveit. 2.Gazebo for Kinova robots官网: https://github.com/Kinovarobotics/kinova-ros/wiki/Gazebo.

下载kinova-ros软件包:

git clone https://github.com/Kinovarobotics/kinova-ros

【说明】kinova-ros 机械臂使用ros_control 来控制 Gazebo 中的机器人模型。为三种机器人类型添加了使用 ros-control 控制关节的配置文件。提供三种不同类型的控制器,力,位置,速度。还添加了轨迹控制器以提供MoveIt!接口。

ros_control tutorial: http://gazebosim.org/tutorials/?tut=ros_control. 【预备知识ros-control】https://wiki.ros.org/ros_control. 【ros-control参考博客】https://www.cnblogs.com/lizhensheng/p/11253331.html. 【ros-control参考知乎】https://zhuanlan.zhihu.com/p/94500307. 【前言】ROS提供了丰富的机器人应用:SLAM、导航、Moveit!..…这些功能包就是通过ros_control应用到机器人上的。 ros_control充当了实际机器人和机器人仿真器之间的连接件。包含一系列控制器接口、传动装置接口、硬件接口、控制器工具箱等等,可以帮助机器人应用快速落地,提高开发效率。简单来说,就是将上层指令比如角速度、线速度等指令转换为电机能够执行的指令的中间件。

1.ROS-control 总体架构

针对不同类型的控制器(底盘、机械臂等),ros_control可以提供多种类型的控制器,但是这些控制器的接口各不相同,为了提高代码的复用率,ros_control还提供一个硬件的抽象层。

硬件抽象层负责机器人硬件资源的管理,而controller从抽象层请求资源即可,并不直接接触硬件。

上图是ros_control的数据流图,可以更加清晰的看到每个层次包含的功能: (1)Controller Manager:每个机器人可能有多个controller,所以这里有一个控制器管理器的概念,提供一种通用的接口来管理不同的controller。controller manager的输入就是ROS上层应用的输出。 (2)Controller:controller可以完成每个joint的控制,请求下层的硬件资源,并且提供了PID控制器,读取硬件资源接口中的状态,在发布控制命令。 (3)Hardware Rescource:为上下两层提供硬件资源的接口。 (4)RobotHW:硬件抽象层和硬件直接打交道,通过write和read方法来完成硬件的操作,这一层也包含关节限位、力矩转换、状态转换等功能。 (5)Real Robot:实际的机器人上也需要有自己的嵌入式控制器,接收到命令后需要反映到执行器上,比如接收到位置1的命令后,那就需要让执行器快速、稳定的到达位置1。

2.Controllers

ros_control 功能包提供的控制器种类如下: 自己创建需要的controller参考: https://github.com/ros-controls/ros_control/wiki/controller_interface.

3.Hardware Interface

Hardware Interface是controller和RobotHw沟通的接口,ROS控制将硬件接口与上述ROS控制器之一结合使用,以向硬件发送和接收命令,可以自己创建需要的接口,可以参考:https://github.com/ros-controls/ros_control/wiki/hardware_interface.

4.Transmissions

Transmissions就是机器人的传动系统,机器人每个需要运动的关节都需要配置相应的Transmission,大部分情况下在URDF文件中直接添加该部分:https://wiki.ros.org/urdf/XML/Transmission. 传输元素的示例:

5.Joint Limits

Joint Limits是硬件抽象层中的一块,维护一个关节限位的数据结构,这些限位数据可以从机器人的URDF文件中加载,也可以ROS的参数服务器上加载(先用YAML配置文件导入ROS parameter server),这些限位数据不仅包含关节速度、位置、加速度、加加速度、力矩等方面的限位,还包含安全作用的位置软限位、速度边界(k_v)和位置边界(k_p)等等。

5.1 从URDF中设置Joint Limits

URDF不支持加速和加速度限制。这些值可以由其他YAML规范提供。 YAML规范不仅可以用于指定加速度和加速度极限,而且可以覆盖URDF描述中包含的位置,速度和力值。

5.2 通过YAML配置文件先加载到参数服务器中,YAML文件格式如下

6.Controller manager

Controller_manager用于实现对控制器的加载、运行、停止等操作,根据你是从启动文件、命令行还是从ROS节点运行控制器,控制器管理器提供了以下三种方式来运行控制器: http://wiki.ros.org/controller_manager.

6.1 命令行工具:

$ rosrun controller_manager controller_manager <command> <controller_name>

command 包括:

load: 加载控制器(构造和初始化)unload: 卸载控制器(销毁)start:启动控制器stop: 停止控制器spawn: 加载和启动控制器kill: 停止并卸载控制器

查看 controller 的状态:

$ rosrun controller_manager controller_manager <command>

command 包括:

list :按执行顺序列出所有控制器,并给出每个控制器的状态list-types :列出控制器管理器知道的所有控制器类型。reload-libraries :重新加载所有可作为插件使用的控制器库。reload-libraries --restore :重新加载所有可作为插件使用的控制器库,并将所有控制器恢复为原始状态。

spawner工具: 很多时候我们需要控制的controller有很多,比如六轴机器人,至少有六个controller,这时也可以使用“spawner ”这个命令来一次控制多个controller:

$ rosrun controller_manager spawner [--stopped] name1 name2 name3

上边的命令可以自动加载、启动controller,如果加上–stopped参数,那么contrller则只会被加载,但是并不会开始运行。 如果想要停止一系列controller,但是不需要卸载,还需要运行的话,可以使用下边的命令:

$ rosrun controller_manager unspawner name1 name2 name3

6.2 Launch 工具:

在launch文件中,同样可以通过运行controller_manager包的命令,来加载和启动一系列controller:

<launch> <node pkg="controller_manager" type="spawner" args="controller_name1 controller_name2" /> </launch>

上边的launch文件会加载并启动controllers,如果只需要加载:

<launch> <node pkg="controller_manager" type="spawner" args="--stopped controller_name1 controller_name2" /> </launch>

6.3 可视化工具:

rqt_controller_manager是一个rqt插件,允许以图形方式加载,卸载,启动和停止控制器,以及显示有关已加载控制器的信息。 它可以从rqt的“插件”菜单启动,也可以作为具有以下内容的独立可执行文件启动:

rosrun rqt_controller_manager rqt_controller_manager

7. 实际案例分析与体会

RRBot in Gazebo:http://gazebosim.org/tutorials/?tut=ros_control. 使用ros_control和简单的Gazebo插件适配器在Gazebo中模拟机器人的控制器。 安装ros_control,ros_controllers及其依赖项。 http://gazebosim.org/tutorials?tut=ros_installing&cat=connect_ros. 查看安装Gazebo的位置以及位置是否正确: 可见我是从debian 安装的。

ROS Kinetic sudo apt-get install ros-kinetic-gazebo-ros-pkgs ros-kinetic-gazebo-ros-control

在启动roscore之后,通过简单的rosrun命令运行Gazebo:

cd catkin_ws source devel/setup.bash rosrun gazebo_ros gazebo

出现 gazebo GUI界面:

7.1 Add transmission elements to a URDF

RRBot 有两个关节,每个关节都有一个传动装置,所以有两个Transmissions,transmission元素用于将执行器链接到关节:(代码见rrbot.xacro文件)

7.2 Add the gazebo_ros_control plugin

在rrbot.gazebo中有 gazebo_ros_control 插件,该插件读取所有transmission标签(解析传输标签并加载适当的硬件接口和控制器管理器):

7.3 create a ros_controls package(controller和controller_manager)

7.3.1 在config 文件中创建 .yaml 配置文件

PID增益和控制器设置必须保存在yaml文件中,该文件通过roslaunch文件加载到参数服务器中。 其中还包含一个joint_state_controller,来控制发布每个关节的实时状态。

7.3.2 创建一个 roslaunch 文件

这个例程中没有涉及到 Joint Limits 。

7.3.3 Start the controllers using roslaunch

(1)启动 RRBot 仿真:

roslaunch rrbot_gazebo rrbot_world.launch

【报错】 【分析】 python在安装时,默认的编码是ascii,当程序中出现非ascii编码时,python的处理常常会报这样的错UnicodeDecodeError: ‘ascii’ codec can’t decode byte 0x?? in position 1: ordinal not in range(128),python没办法处理非ascii编码的,此时需要自己设置将python的默认编码,一般设置为utf8的编码格式。就是因为python默认字符串编码惹得祸,由于python默认是ascii码,但是在linux下的字符串是utf8,所以有些字符串无法识别,从而导致设置param失效。 参考博客:https://blog.csdn.net/weixin_43922901/article/details/89244457. 【解决】 在运行命令前执行:

export PYTHONIOENCODING=utf-8 >> ~/.bashrc source ~/.bashrc source devel/setup.bash

就像这样:

(2)加载两个控制器: 新开一个终端

cd catkin_ws source devel/setup.bash roslaunch rrbot_control rrbot_control.launch

(3)手动发送示例命令:

rostopic pub -1 /rrbot/joint1_position_controller/command std_msgs/Float64 "data: 1.5" rostopic pub -1 /rrbot/joint2_position_controller/command std_msgs/Float64 "data: 5.0"

(4)控制 joint1 和 joint2 的位置:

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